Das menschliche Auge kann etwa Wellenlängen zwischen 0,400 μm (blau) und 0,700 μm (rot) sehen. Alle diese Wellenlängen zusammen erscheinen uns als weißes Licht, wie das natürliche Licht, das wir draußen sehen. Die meisten, wenn nicht sogar alle im Handel erhältlichen Objektive (auch als "Standardlinsen" bezeichnet) sind optisch so ausgelegt, dass sie ein qualitativ hochwertiges Bild mit weißem Licht erzeugen.
Viele Anwender verwenden in ihren Anwendungen jedoch keine Weißlichtquellen, obwohl es für die industrielle Bildverarbeitung Lichtquellen gibt, die Weißlicht nahe kommen können. Infolgedessen können Anwender von digitalen Bildverarbeitungskamerasystemen Probleme mit der Empfindlichkeit digitaler Sensoren für diskrete Wellenlängen haben, einschließlich solcher, die von Lasern und LEDs erzeugt werden. Um solche Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, die Anforderungen an die Beleuchtung in einem frühen Stadium der Systementwicklung zu definieren, wenn ein Bildverarbeitungssystem entworfen wird. Wenn in der Anwendung kein weißes Licht verwendet wird, ist es ebenso wichtig, dass Systemdesigner und Endbenutzer die Probleme verstehen, auf die sie stoßen können, und wie sie diese Probleme identifizieren und lösen können, bevor die Auswirkungen auf die Bildverarbeitung nicht mehr korrigiert werden können.
Fallstudien
Bei der Konstruktion eines Objektivs ist die Anzahl der einzelnen Wellenlängen, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden können, begrenzt. Ein Gewichtungsfaktor für jede spezifische Wellenlänge, der auch die Empfindlichkeit des digitalen Sensors berücksichtigt, fließt ebenfalls in das Design ein. Zahlreiche Quellen zur Auswahl einzelner Wellenlängen und Gewichtungsfaktoren sind in gedruckter Form und online verfügbar. Für diese Diskussion wird als Beispiel ein 75-mm-Objektiv mit einer Blende von f/3,0 verwendet (Abb. 1).
Abhängig von der Konstruktionssoftware, die von dem/den Objektivhersteller(n) verwendet wird, können zwischen einer einzelnen Wellenlänge und etwa 10 Wellenlängen als Teil der Konstruktion bewertet werden. Wir haben festgestellt, dass für handelsübliche Weißlichtobjektive sechs Wellenlängen - zusammen mit Gewichtungsfaktoren für jede Wellenlänge - in der Regel ausreichend sind. Die folgenden Wellenlängen und Gewichtungsfaktoren wurden für dieses Beispiel verwendet (Abb. 2).
Als nächstes haben wir das Objektivdesign für einen Sensor/Kamera mit 5 μm² Pixeln abgeschlossen. Diese Pixelgröße begrenzt die maximale Auflösung auf 100 Linienpaare pro Millimeter (üblicherweise in Lp/mm ausgedrückt und als Nyquist-Grenze bezeichnet). In einem unserer früheren Artikel - Mathematik, Magie und MTF: Ein Spickzettel für die Bildverarbeitungsgemeinschaft - wird beschrieben, wie man die Pixelgröße in Nyquist-Lp/mm umrechnet und wie man ein Modulation Transfer Function Diagram (MTF) lesen und verstehen. In dem Artikel wird darauf hingewiesen, dass bei Betrachtung der MTF-Werte bei 67% des Nyquist-Wertes (in diesem Fall 67 Lp/mm) das Ziel darin besteht, ein Objektiv mit allen MTF-Werten > 30% herzustellen. Das oben gezeigte 75 mm f/3,0-Objektiv wurde mit folgender MTF-Leistung hergestellt (Abb. 3)
Abb. 3 - MTF-Diagramm, berechnet anhand der in Abb. 2 angegebenen Werte.
Abb. 4
Wie in Abbildung 3 dargestellt, liegen alle MTF-Werte in und außerhalb der Achse bei 67 Lp/mm über 30%, was dem Endbenutzer bestätigt, dass das Objektiv für eine COTS-Einheit sehr gut funktioniert. Die MTF-Leistung des Objektivs ist ein berechneter Wert, der die beste Gesamtfokusposition für sichtbares weißes Licht angibt.
Es ist besonders darauf hinzuweisen, dass ein Diagramm der chromatischen Fokussierungsverschiebung (auch als Diagramm der axialen chromatischen Fokussierungsverschiebung bezeichnet) ein wertvolles Leistungsmerkmal des Objektivdesigns ist, das dem Endbenutzer normalerweise nicht zur Verfügung gestellt wird, es sei denn, er fragt danach. Das Diagramm der chromatischen Fokusverschiebung, das zeigt, wie die Linse den Fokus entlang der optischen Achse in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine optimale Leistung verschiebt, kann jedoch leicht berechnet werden (Abb. 4).
Aber was passiert, wenn Ihr optisches System kein weißes Licht als Beleuchtungsquelle benötigt, sondern stattdessen eine oder mehrere monochromatische Wellenlängenquellen (z.B. Laser und/oder LEDs) verwendet? Betrachten Sie das gleiche Beispiel wie oben, aber mit der Linse, die den besten sichtbaren weißen Lichtfokus mit nur einer monochromatischen Wellenlänge von 0,425 μm beibehält (Abb. 5).
Man beachte, wie die MTF-Linien schnell abfallen, lange bevor der Wert von 67 Lp/mm im Diagramm erreicht ist, wenn der Fokus im besten sichtbaren Licht gehalten wird und dann die Beleuchtung auf eine monochromatische Quelle umgestellt wird (Abb. 5). In der Tat stirbt das Objektiv praktisch ab und fällt unter einen MTF-Wert von 30% bei etwa 30 Lp/mm. Sobald die MTF-Linien auf der X-Achse (horizontal) Null erreichen, erholen sie sich und steigen wieder an, aber es handelt sich um eine scheinbare Auflösung, die eine Phasenverschiebung enthält und nicht verwendet werden kann.
Kurz gesagt, in diesem Szenario hat der Benutzer keine optischen Leistungsdaten mehr, die verwendet werden können. Durch eine Änderung der Fokussierung des Objektivs entsprechend der Größe und Richtung in dem oben gezeigten Diagramm der chromatischen Fokusverschiebung (Abb. 4) kann der Anwender jedoch die verlorene Leistung zurückgewinnen - oder bessere MTF-Werte im Vergleich zum MTF-Diagramm für weißes Licht (Abb. 6) erzielen.
Betrachten wir nun die Verwendung von mehr als einer monochromatischen Lichtquelle. Der Benutzer müsste die Fokuseinstellung des Objektivs ständig ändern, je nachdem, welche monochromatische Lichtquelle verwendet wird. In vielen Systemen ist dies nicht praktikabel, aber es gibt eine Reihe von Lösungen:
Abb. 5
Abb. 6
1. Ein kundenspezifisches Objektivdesign erwerben oder erstellen, indem die genauen monochromatischen Beleuchtungswellenlängen angegeben werden, die von den Designingenieuren umgesetzt werden sollen. Dies ist in der Regel ein kostspieliges Verfahren, und es kann sehr lange dauern, bis ein funktionsfähiger Linsenprototyp für Tests zur Verfügung steht. Das Linsendesign kann jedoch so optimiert werden, dass z. B. beim Wechsel von einer Lichtquelle zur anderen die Linse nicht neu fokussiert werden muss.
2. Der Fokus muss für jede Wellenlänge manuell eingestellt werden, es sei denn, der Benutzer erwirbt oder baut eine motorisierte Fokussierlinse. Durch die Kombination von Werten aus dem chromatischen Fokusverschiebungsdiagramm und einigen laborgestützten empirischen Tests kann der Benutzer die Größe und Richtung der Fokusverschiebung optimieren, um genaue Signale an den Fokusverschiebungsmotor zu senden.
3. Der Anwender könnte eine Fokusverschiebungs-Flüssiglinse in Kombination mit einer COTS-Linse verwenden. Durch Aufzeichnung seiner eigenen Fokusverschiebungswerte in Bezug auf die verwendeten monochromatischen Wellenlängenquellen kann der Benutzer die Werte bestimmen, die die Flüssigfokuslinse benötigt, um die optimale Fokusposition zu erreichen.
Schließlich kann der Anwender durch empirische Labortests einen Kompromiss bei der Fokussierung finden. Ihr System könnte gerade so gut funktionieren - mit viel niedrigeren MTF-Leistungswerten - um eine ausreichende Auflösung für die Anwendung zu liefern. Dies ist natürlich keine ideale Lösung, sondern eher ein letzter Ausweg, wenn die oben genannten Möglichkeiten nicht zur Verfügung stehen. Jedes Objektiv, von jedem Hersteller, wird sich in Bezug auf diese Wellenlängen-Fokusverschiebung unterschiedlich verhalten.
Abschließende Überlegungen
Unabhängig vom Objektivhersteller kann der Kauf eines sichtkorrigierten Objektivs mit der Absicht, monochromatische, diskrete Wellenlängenquellen zu verwenden, zu Problemen beim Design und der Entwicklung eines bildgebenden Systems führen, wenn nicht die richtigen Schritte unternommen werden, um die Elemente zu verstehen, die die Leistung des Objektivs in verschiedenen Anwendungen beeinflussen.
